UR13ANISMO
IMPLANT ACAO DE PROGRAM A DE REDU!;AO DE PERDAS EM
SISTEMAS DE DISTRIBUif;AO DE AGUA
RODOPIANO MARQUES EVANGELISTA
Orientador: Prof. Dr. JOSE GERALDO PENA DE ANDRADE
Disserta(:ao de Mestrado apresentada
a
Comissao deP6s-Gradua(:ao da Faculdade de Engenharia Civil, Arquitetura e Urbanismo da Universidade Estadual de Campinas, como parte dos Requisites para obtenvao do titulo de Mestre em Engenharia Civil, na area de concentra(:ao de Recursos Hidricos
Campinas Fevereiro/2004
URBANISMO
IMPLANT M;,AO DE PROGRAM A DE REDU<;AO DE PERDAS EM
SISTEMAS DE DISTRIBUI<;AO DE AGUA
RODOPIANO MARQUES EVANGELISTA
Campinas Fevereiro/2004
!JNICAMP
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PICHA CATALOGMFiCA ELABORADA PELA
BIBLIOTECA DA AREA DE ENGENHARIA - BAE - UNICAMP
Ev14i
Evangelista, Rodopiano Marques
Implanta91io de programa de redu91io de perdas em sistemas de distribui91io de agua I Rodopiano Marques Evangelista. --Campinas, SP: [s.n.], 2004.
Orientador: Jose Geraldo Pena de Andrade.
Disserta91io (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Civil Arquitetura e Urbanismo.
I. Centrais de abastecimento. 2. Abastecimento de agua nas cidades. 3. Abastecimento de agua. 4. Hidraulica. 5. Hidrometria. L Andrade, Jose Geraldo Pena de. II. Universidade Estadual de Campinas. Faculdade de Engenharia Civil arquitetura e Urbanismo. Ill. Titulo.
UNIVERSIDADE ESTADUAL DE CAMPINAS
FACULDADE DE ENGENHARIA CIVIL, ARQUITETURA E
URBANISMO
IMPLANTACAO DE PROGRAMA DE REDUCAO DE PERDAS EM
SISTEMAS DE DISTRIBUICAO DE AGUA
RODOPIANO MARQUES EVANGELISTA
Dissertac;:ao de Mestrad rovada pela Banca Examinadora, constituida por:
\
,JL~
Pro~. Jo~~per~ldo Pena de Andrade, Dr.
Pres1dente
e
Onentador I FEC - UNICAMPProf.
Agrader;o ao Grande Arquiteto do Universo - "DEUS",
a
minha esposa, minha filha, ao meu irmiio e aos meus paisAGRADECIMENTOS
Ao amigo e professor, Dr. Jose Geraldo Pena de Andrade, por sua dedicagao e clareza na orientac;:ao de meu trabalho e por se manter sempre pronto e prestativo, nunca impondo mas dialogando, propiciando urn born resultado para a apresentagao desta tese.
Aos professores e amigos, Dr. Paulo Sergio Franco Barbosa e Dr. Edevar Luvizotto Junior, pelo desprendimento e companheirismo demonstrados na forma de sugestoes apresentadas para o aprimoramento deste trabalho.
Aos professores e funcionarios da Faculdade de Engenharia Civil, que me deram apoio durante o programa de P6s-Graduagao, atengao e prestimos durante os anos de convivencia.
As grandes amigas, Paula e Miriam, funcionarias da P6s-Graduagao da Faculdade de Engenharia Civil, pela orientagao e prestimos.
Aos grandes amigos e companheiros de trabalho, Alex, Paulo, Katia, Pedro, Marcelo, Wanderley, Luiz Rene e Tarciso pelo incentivo e ajuda durante o desenvolvimento deste trabalho.
Aos amigos, Helio e Caviciolli, da Ercon Engenharia, pelo apoio e auxflio nos dados fornecidos para a defesa desta tese.
A
minha familia, em especial aos meus avos, pelo sentido da vida, embora em muitos mementos de trabalho, tenha necessitado ausentar-me de nosso convfvio.Aos funciomirios do Departamento Municipal de Agua e Esgoto de Pogos de Caldas, pela oportunidade de poder utilizar as instalagoes e as informagoes necessarias dos dados experimentais.
"0 Senhor
e
o meu pastor; nada me fa/tara. Deitar-me faz em pastas verdejantes; guia-memansamente a aguas tranqOi/as. Refrigera a minha alma; guia-me nas veredas da justi9a por amor do seu nome. Ainda que eu ande pelo vale da sombra da morte, nao temerei mal a/gum, porque tu estas comigo; a tua vara e o teu cajado me consolam. Preparas uma mesa perante mim na presen(:a dos meus
inimigos; unges com 6/eo a minha cabe(:a, o meu calice transborda. Certamente que a bondade e a miseric6rdia me seguirao todos os dias da minha vida, e habitarei na casa do Senhor por longos dias."
RESUMO
0 abastecimento de agua e um fator de extrema importancia para 0 bem-estar
da sociedade e, com o crescimento das cidades, os sistemas foram tornando-se cada vez mais complexos e diversificados, dificultando o controle e a operat,;:ao como urn todo.
Com o elevado incremento da demanda de consumo nos ultimos anos e tambem pelo uso irracional dos recursos hidricos houve a necessidade por parte das empresas de saneamento de todo mundo implantar programas de redut,;:ao de perdas inseridos em seus sistemas, tais como: planejamento, cadastro tecnico de informat,;:5es confiaveis de agua e esgoto, comandos de telemetria, aferit;:ao de hidrometros, pesquisa de vazamentos, setorizat;:ao etc.
Neste contexto, houve tambem a necessidade destes elementos serem operados de forma integrada tornando cada vez mais eficaz o gerenciamento por parte destas empresas.
Palavra-Chave: Programa de Redut,;:ao de Perdas, Sistema de Abastecimento, Simulador de Rede Hidraulica em Regime Permanente
ABSTRACT
Water supply is an extremely important factor for the well being of society. As cities grew larger, water supply systems became more and more complex and diversified, making it difficult to control and operate them as a whole.
With the high increment in consumption demand over the last years and the irrational use of water resources, public utilities all around the world felt the need to implement loss reduction programs, placed around their systems, such as planning, water supply and sewerage system reliable information technical dossier, telemetry commands, water-meter gauging, leak search, sectorization etc.
In such context, it also became necessary for these elements to be operated in more integrated ways, what has made the management of such programs more efficient on the part of public utilities.
Key words: Water Supply, Loss Reduction Programs, Network Simulator, Permanent Basis
SUMARIO
Agradecimentos ... v
Resumo ... viii
Abstract ... ix
Lista de Figuras ... xiii
Lista de Tabelas ... xvii
Lista de Graficos ... xviii
Lista de Siglas . . .. . .. ... . .. . . .. . . .. . . .. . . .. . ... .. . . .. ... .. . . .. . .. .. .. ... .. ... . . xix
Lista de Sfmbolos ... xx
1. lntrodw;:ao ... 1
2. Objetivos .. .. . . .. . ... . .. . . . ... . . .. . .. .. . . .. . . .. . . ... . . .. . .. . . .. ... .. .. . . .. . . .. . . 9
3. Modelo Unificado para Analise de Escoamento Transit6rio, Oscilat6rio, Permanente e em Perfodo Extensive em Condutos Forcados ... 11
3.1 Modelos para Analise de Escoamentos Fluidos em Condutos Forcados . ... . . .. . . . .. . . .. . .. . . . .. . . .. . . ... .. . . ... . . . .. . . . .. . . .. . . .. . . .. ... . . . .. . . . ... 12
3.2 A Generalidade do Equacionamento do Modelo Dinamico lnercial Elastica . .. . . . .. . .. . ... . . .. . . .. .. . . .. . . . .. . .. . . .. . . .. . . ... . . ... . . .. ... . . 15
3.3 A Solucao do Modelo Dinamico lnercial Elastica ... 17
3.5 Modele Matematico ... ... 22
3.6 Tratamento dos ENOS Nao-Tubos no Modele Unificado ... 25
4. Mode!os Mate maticos Aplicados ao Sistema de Abastecimento .. . . ... .. . .. . 28
4.1 Com bate
a
Reducao de Perdas ... ... 284.1.1 Setorizacao da rede de distribuicao ... 31
4.1.2 Determinacao das perdas flsicas de agua ... 32
4.1.3 Controle e estabilizacao das press6es na rede ... 34
4.1.4 Pesquisa de vazamentos ... 36
4.1.5 Reparos de vazamentos ... , ... 38
4. i .6 lnstalacao e operacao dos equipamentos de telemetria ... 40
5. lndicadores de Desempenho ... 43
5.1 Terminologia Modernizada para Utilizacao lnternacional ... 44
5.2 A importancia da Medicao Confiavel ... 47
5.3 Fatores que lnfluenciam as Perdas de Agua Reais ... 49
5.4 lndicadores do Desempenho Tecnico para as Perdas de Agua Reais ... 51
5.4.1 lndicadores de desempenho tradicionais ... 51
5.4.2 Percentagem do volume aduzido no sistema ... 52
5.5 lndicadores de Desempenho Financeiro ... 55
6. Controle lnteligente de Pressao ... ... 58
6. i Determinacao da Dinamica da Rede x Localizacao de Vazamentos ... 64
6.2 Comparacao de Gusto x Beneffcio .. ... .. .. .. . .... .. .... . .. ... .... .. .. .. . .. . .. . .. ... 67 7. Conceito de Controlador de VRP para Estabilizacao de Press6es
de Distribuic;:ao ... 69
7.1 Controladores de Circuito Aberto ou de "OPEN LOOP' ... 70
7.2 Controladores Baseados no Tempo ... 72
7.3 Controladores de Circuito Fechado ou de "CLOSE LOOP' ... 73
8. Metodo e Aplicac;:oes ... 74
8.1 Estudo de Caso ... ... ... .. .. .. .... .. . .... ... ... .. .. . ... .. ... .. .. .. . .. . .. .. ... .... .. 76
8.1 .1 Aplicac;:ao do modele "SIMULA" ... 78
8. i .2 Controle de transmissao dos dados ... 110
8.1.3 Resultados obtidos com aplicac;:ao do modele "SIMULA" ... 11 0 9. Conclusao ... 114
Referencias Bilbiograficas ... 116
Anexos ... 120
Anexo I ... 122
liST A DE F!GURAS
01. Modelos para analise de escoamentos fluidos em condutos for9ados .... 13 02. Esquema da malha de calculo .. . . ... . . . .. . .. . . .. . .. . .. . . .. . .. . . . ... . . . .. . . . .. . . .. . . .. . 17 03. Esquema de um NO generico ... 22 04. Esquema de um ENO nao-tubo gene rico ... 23
05. Tubula9ao da VRP- 300mm com macromedidor e "DATA LOGGER'
(DMAE-Po9os de Caldas) ... 33 06. Vazamento da adutora no setor VRP-Cidade provocado por excesso
de pressao (DMAE-Po9os de Caldas) ... 35 07. Vazamento originado por excesso de pressao- Setor VRP-Cidade
(DMAE-Po9os de Caldas) ... 39 08. Execu9ao de manuten9ao em vazamento (DMAE-Po9os de Caldas) ... 39 09. Tela de telemetria utilizada pelo DMAE para controle da distribui9ao
de agua no municipio de Po9os de Caldas-Sistema ELIPSE-SCADA .... 41 10. Tela do programa de telemetria utilizado pelo DMAE-
ELIPSE-SCADA-para o subsetor estudado - VRP-Cidade ... ... 42 11. Componentes do balan90 hfdrico ... 45 12. Consumo autorizado e perdas de agua ... 46
identifica<;ao dos componentes do balan<;o hfdrico e localiza<;ao dos
pontos de medi<;ao caudal ... 48
i4. Laborat6rio de aferi<;ao de hidrometros (DMAE-Po<;os de Caldas) ... 49
i 5. Metodologia recomendada para avalia<;ao do desempenho financeiro em termos de perdas comerciais ... 56
16. Medidor de pressao e vazao com "DATA LOGGER' para localiza<;ao de vazamentos (DMAE-Po<;os de Caldas) ... 65
17. Geofonamento eletronico (DMAE-Po<;os de Caldas) ... 66
18. VRP comandada a distancia via telefone na regiao metropolitana de Sao Paulo (SABESP-Sao Paulo) ... 75
19. Central de Supervisao e Controle- CSC (DMAE-Po<;os de Caldas) ... 77
20. Setoriza<;ao Atual sem a Valvula ... 79
21. Setoriza<;ao Atual sem a Valvula ... 80
22. Setoriza<;ao Atual sem a Valvula ... 81
23. Setoriza<;ao Atual sem a Valvula ... 82
24. Resultado da Setoriza<;ao Atual sem a Valvula ... 83
25. Resultado da Setoriza<;ao Atual sem a Valvula ... 84
26. Resultado da Setoriza<;ao Atual sem a Valvula ... 85
27. Setoriza<;ao Atual com a Valvula atuando em 30 mH20 ... 86
28. Setoriza<;ao Atual com a Valvula atuando em 30 mH20 ... 87
29. Setoriza<;ao Atual com a Valvula atuando em 30 mH20 ... 87
30. Setoriza<;ao Atual com a Valvula atuando em 30 mH20 .... ... 88
32. Resultado da Setoriza<;ao Atual com a Valvula atuando em 30 mH20 ... 90
33. Resultado da Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 30 mH~ ... 91
34. Resultado da Setoriza<;ao Atual com a Valvula atuando em 30 mH20 ... 91
35. Resultado da Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 30 mH20 ... 92
36. Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 25 mH20 ... 93
37. Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 25 mH20 ... 94
38. Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 25 mH20 ... 94
39. Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 25 mH20 ... ... 95
40. Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 25 mH20 ... 96
41. Resultado da Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 25 mH20 ... 97
42. Resultado da Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 25 mH20 ... 98
43. Resultado da Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 25 mH20 ... 98
44. Resultado da Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 25 mH20 ... 99
45. Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 20 mH20 ... 100
46. Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 20 mH20 ... 101
47. Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 20 mH20 ... 101
48. Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 20 mH20 ... 102
49. Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 20 mH20 ... 103
50. Resultado da Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 20 mH20 ... 1 04 51. Resultado da Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 20 mH20 ... 105
52. Resultado da Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 20 mH20 ... 105
53. Resultado da Setoriza.:;:ao Atual com a Valvula atuando em 20 mH20 ... 1 06
DMAE-Po~os de Caldas) ... 107 55. Vazamentos detectados por geofonamento- Setor VRP-Cidade
(DMAE-Po~os de Caldas) ... 111 56. Vazamentos encontrados no passeio dos arruamentos no subsetor
VRP-Cidade (DMAE-Po~os de Caldas) ... 112 57. Vazamentos encontrados nos arruamentos do subsetor VRP-Cidade
(DMAE-Po~os de Caldas) ... 112 58. Vazamentos encontrados no cavalete dos hidrometros (micromedidores)
do subsetor VRP-Cidade (DMAE-Po~os de Caldas) ... 113
59. Vazamentos encontrados no registro de passeio no subsetor VRP-Cidade
USTA DE TABELAS
01. Valores do NBP em Vramal/dia ... 55 02. Dados Caracterfsticos do Subsetor ... 1 09
USTA DE GRAFICOS
01. Grafico de pressao de sa ida da VRP ... 62
02. Grafico de pressao de sa fda da VRP ... 62
03. Pressao de sa fda ... .. . . 63
liST A DE SIGLAS
CSC - Central de Supervisao e Controle
DMAE - Departamento Municipal de Agua e Esgoto de Pocos de Caldas
DNOCS - Departamento Nacional de Obras Contra
a
SecaELETROBRAS - Centrals Eletricas Brasileiras SA IBGE -Institute Brasileiro de Geografia e Estatfstica IWSA - Associacao lnternacional do Service de Agua MOC - Metodo das Caracterfsticas
NBR- Normas Tecnicas Brasileiras NBP- Nfvel Base de Perdas
PRA- Perdas Reais Anuais
PROCEL- Programa Nacional de Conservacao de Energia Eletrica SABESP - Companhia de Saneamento Basico do Estado de Sao Paulo Sl - Sistema lnternacional de Pesos e Medidas
SEREC - Services de Engenharia Consultiva Ltda.
SUD ENE- Superintendencia de Desenvolvimento do Nordeste VRP- Valvula Redutora de Pressao
LIST A DE SiMBOLOS
a Celeridade LT1
A Area do Conduto L2
B Constante do Metoda das Caracteristicas L"2T
BN Constante Associando ao N6 L2T1
c
Constante do Metodo das Caracterfsticas LD Dimensao Geometrica Caracterfstica L
Diametro do Tubo L
E Constante relativa ao ENO nao-tubo generico l~1
EN Constante relativa ao volume de controle no n6 l3T1
f Coeficiente de Atrito 1
Frequencia T1
g Aceleracao da Gravidade LT2
H Carga Hidraulica l
HP1 Carga Aplicada ao N6 a Montante l
HP2 Carga Aplicada ao N6 a Jusante l
HR Carga Aplicada ao N6 do Perfodo Futuro do Reservat6rio L
HRE Carga Aplicada ao N6 do Perfodo Atual do Reservat6rio L
Li Comprimento da Tubulacao L
MC Tubas que convergem do N6
N; N6 de Montante 1
Q Vazao LT3
Oo Vazao de demanda variavel como tempo L~,
QpE Vazao que passa pelo ENO nao-tubo LT3
QR Vazao do Perlodo Futuro LT3
QRE Vazao do Perfodo Atual LT3
T Momenta FL Tempo T .M lntervalo de Tempo T
aH
Diferencial de Carga Lao
Diferencial de Vazao LT3at
Diferencial de Tempo T&x Diferencial de Distfmcia Medida ao Longo do Conduto L
As crises ambientais vivenciadas pela humanidade nas ultimas decadas mobilizaram 6rgaos publicos govemamentais e toda a sociedade na busca de meios e a96es para que a agua, a fonte mais importante para sobrevivencia, possa continuar a ser disponibilizada de forma acessfvel e racional. Quando uma popula9ao e mal servida de suprimento de agua e coleta de esgoto, torna-se inevitavel a tendencia
a
estagna9ao ou ao retrocesso caracterizando, desta forma, o saneamento basico como insumo fundamental ao bem-estar humano.Com o crescimento dos centros urbanos, a escassez de mananciais pr6ximos com quantidade e qualidade de agua adequadas ao atendimento das demandas nos sistemas de distribui9ao estao se tornando cada vez mais complexos e com seus custos mais elevados, dificultando a opera9ao, a manuten9ao e a otimiza9ao do controle operacional.
A solu9ao do problema deste controle nao e simples e especialistas do mundo todo tern se dedicado ao desenvolvimento de modelos matematico-computacionais confiaveis para permitir simula96es do comportamento dinamico desses sistemas na
fase de projeto e, principalmente, na fase de operac;:ao para o monitoramento em tempo real. Esses modelos permitem simular a operagao em tempo extensivo, possibilitando verificar e definir regras operacionais adequadas
a
otimizac;:ao na adugao e distribuigao de agua.Os avangos tecnol6gicos em eletronica possibilitam transmitir as operagoes de uma central de comando para os elementos de controls inteligentes (valvulas de controls, bombas de rotagao variavel etc.) atraves de redes telemetricas, substituindo a operagao manual e, em alguns casos, a comunicac;:ao via radio. Da mesma forma que se comanda a operagao, os dados reais da resposta do sistema sao recebidos na central de comando, para analise e definigao da proxima operac;:ao a ser efetuada. E, assim, se estabelece o controls operacional em tempo real.
Alem da redugao de custos operacionais, aumenta-se a confiabilidade do sistema de abastecimento pois, com o acompanhamento em tempo real, qualquer anormalidade pode ser detectada quase que imediatamente e a definigao de medidas corretivas e prontamente restabelecida.
Para concretizar a "operagao 6tima", previamente simulada, devemos conhecer perfeitamente os limites ffsicos dos elementos de controls e se as consequencias de suas interferencias no sistema sao adequadas para as especificagoes dos componentes deste mesmo sistema (por exemplo, classe de pressao dos tubos).
Como vern ocorrendo em quase todo mundo neste final de seculo, face ao aumento das necessidades globais de consumo, causado pela aceleracao do processo de urbanizacao, conseqi.iemcia da migracao crescente das popula96es camponesas para as cidades, os responsaveis pelo servigo prestados na area de abastecimento sao obrigados a realizar novos e pesados investimentos, buscando o precioso lfquido cada vez mais Ionge, como tambem melhorando as condi<;oes de seu tratamento previo, exigidos pela crescente poluigao das fontes naturais de suprimento.
Quando este problema surgiu nos pafses desenvolvidos, sobretudo no norte da Europa, onde sao mais escassas as fontes de suprimento, foram desenvolvidas tecnicas mais modernas e eficientes para promover a redugao das perdas ffsicas de agua nos sistemas de distribuigao, que sempre existem e que representam o maior fator de encarecimento dos custos de abastecimento publico. Como forma imediata de aumentar a capacidade de abastecimento, foram adotadas em conjunto com as companhias responsaveis, campanhas sistematicas de esclarecimento visando a redugao do desperdfcio e uso inadequado da agua.
As perdas ffsicas de agua nos sistemas de distribuigao sao devidas aos vazamentos que ocorrem em tubulagoes avariadas por choques ou movimentos do solo, corrosao qufmica ou eletrolftica ou, ainda, simples envelhecimento dos materiais constitutivos das tubulagoes e/ou das suas juntas.
Como as redes de distribuivao sao (na sua maior parte) subterraneas, apenas os vazamentos de grande porte sao percebidos imediatamente, quando a agua perdida aflora ou provoca erosao que destr6i o pavimento da superffcie. Entretanto, um grande numero de pequenos vazamentos nao sao percebidos, sobretudo quando situados pr6ximos a redes de drenagem ou esgoto, ou mesmo de canais, que minimizam os efeitos da erosao pela imediata absorvao da agua - vazamentos esses que perduram por longos periodos, ocasionando consideraveis prejufzos.
De modo geral, pode-se afirmar que as perdas ffsicas de agua nos vazamentos representam, em media, 25% do volume total "captado, tratado e aduzido", por um sistema de abastecimento, quando a rede nao dispoe de um sistema de controle adequado. Na cidade de Sao Paulo, por exemplo, devido
a
grande extensao e idade de sua rede de abastecimento, estima-se que esse valor esteja em torno de 30%.Para que se tenha ideia do quanto estas perdas representam, basta verificar que elas poderiam suprir as necessidades de uma popula9ao igual ao produto do percentual das perdas pela popula9ao atendida pelo sistema. No caso da capital paulista, seriam cerca de tres a quatro milh5es de pessoas segundo THEESS e QUEIROZ JUNIOR (1996), popula9ao esta superior
a
de todas as cidades europeias, com exce9ao de Paris, Londres e Moscou.A quantidade de agua efetivamente perdida num sistema de adu9ao e distribui9ao varia de entidade para entidade, dependendo de fatores locais derivados
das caracterfsticas topograficas e urbanlsticas (cotas e caracterfsticas geotecnicas do terreno, comprimento total de condutos, numero de ramais domiciliares, valores de pressao na rede etc.) e de fatores que tern a ver com o nivel de manutencao e operacao do sistema por parte da entidade gestora (idade e estado dos condutos, materiais utilizados, eficacia do controle de pressoes excessivas etc.).
A quantidade de agua perdida e urn indicador importante da eficiencia de uma entidade gestora, tanto em termos absolutos num dado momento, como em termos de tendencia ao Iongo dos anos. Volumes anuais altos e com tendencia para aumentar sao indicadores de ineficacia de planejamento e construcao, bern como de deficiente manutencao e operacao do sistema.
E
importante entender, desde logo, que as perdas de agua englobam as perdas reais ou fisicas (fugas e extravasamentos) e as perdas aparentes ou nao-ffsicas, afetando tanto o desempenho tecnico, como o desempenho das entidades gestoras. Por esta razao, e necessario definir neste dominio, indicadores de desempenho ajustados as aplicacoes tecnicas, bern como de caracteristicas financeiras. Os primeiros sao relevantes para avaliacao do estado da infra-estrutura e do equipamento de medicao; os segundos representam as perdas comerciais.Os servicos de abastecimento de agua no Brasil tiveram, de maneira geral, ganhos substantives de eficiencia ao Iongo das decadas de 70 e 80. No entanto, a crise de investimentos que se abateu sobre a maioria deles, a partir da decada de 90, determinou uma paralisacao ou uma drastica desaceleracao desse processo. Alguns servicos conseguiram, apesar dessas restricoes, continuar em uma trajet6ria de
melhoria enquanto outros sofreram grandes perdas de capacidade tecnica que ainda nao havia amadurecido o suficiente. Nessas condic;oes, nao seria razoave! adotar uma politica generalizada de incentives a aquisic;ao de instrumentos sofisticados de informac;ao, antes de definir o real estagio de desenvolvimento dos servic;os, no que se refere ao conhecimento de demanda, e s6, a partir dal, trac;ar uma linha de ac;ao que atenda as necessidades detectadas.
Alem desses fatores, temos que levar em conta que as perdas de agua nada mais sao do que a parcela da aduc;ao ou da produc;ao da mesma, que nao foi faturada, incluindo os indices de perda na distribuic;ao (volume disponibilizado, volume utilizado), o indice de perda de faturamento, da produc;ao, na aduc;ao, no tratamento e o de perda por ligac;ao.
No Brasil, as sete causas de perdas sao elencadas da seguinte maneira:
a) determinac;ao do volume captado aduzido e produzido; b) determinac;ao do volume micromedido e estimado; c) extravasamentos;
d) vazamentos;
e) consumos operacionais excessivos;
A classificac;:ao dos Indices de perdas pode tambem ser atribufda da seguinte forma: menos de 20% perdas excelentes; entre 20 e 30% perdas 6timas; entre 30 e 40% -perdas boas; entre 40 e 50% - -perdas regulares; mais de 50% - -perdas pessimas.
As origens das perdas flsicas estao relacionadas geralmente com falta de treinamento, falhas de operac;:ao, manutenc;:ao, projeto, obra, compra, estocagem, transporte, plano de cargos e salarios, financeiras, planejamento, de comunica<;;ao social (campanhas na hora errada) etc.
A proposta para se implantar o programa de reduc;:ao de perdas seria utilizar um desses passos em areas ja previstas, como tambem gerenciar a redu<;;ao de pressoes pre-estabelecidas. Para isso, iremos estudar a aplicac;:ao de valvulas redutoras de pressao no ponto afluxo de um determinado subsetor pre-definido, aonde monitoraremos pressoes e vazoes antes da instalac;:ao e posteriormente quando a mesma estiver em opera<;;ao, considerando que o estudo a ser realizado sera em regime permanente, atraves de modelo computacional.
Quanto a investimentos a fundo perdido para apoiar a gestao de recursos hfdricos, tanto no setor eletrico como no de saneamento ambiental, foi lanc;:ado pelo Ministerio das Cidades, a partir de novembro de 2003, o "Processo Publico de Projetos de Conservac;:ao do Uso Racional de Energia Eletrica e Agua no Setor de Saneamento Ambiental", que visa
a
liberac;:ao de recursos atraves da Eletrobras (Programa de Reduc;:ao de Perdas - Procel) onde as empresas estatais e municipais podem secadastrar ate janeiro de 2004, tornando-se aptas a receber, dentro de uma linha de atividades, recursos no valor maximo de R$ 700.000,00.
Utilizagao de um modelo computacional (Simulador) desenvolvido pelo Prof. Dr. Edevar Luvizotto Junior, Unicamp, para estudar um subsetor de distribuigao de agua do municipio de Pogos de Caldas, MG, em regime permanente, visando gerenciar a redugao de pressao e, consequentemente a diminuigao das perdas ffsicas locais.
Para o desenvolvimento do trabalho serao utilizados dados fornecidos pela SEREC (1989), Projeto Tecnico do Sistema de Abastecimento de Agua, como comprimento de tubulagao, diametro, coeficiente de rugosidade, vaz5es nos trechos, cotas geometricas etc., introduzindo os mesmos em modelos de simulagao para otimizar estas variaveis, adequando, atraves da instalagao de uma VRP, as press5es e vaz5es necessarias para correta operagao do sistema.
Na implantagao deste programa de redugao de perdas, deveremos considerar a sua setorizagao, a medigao de vazao e pressao nos pontos crfticos (tanto na demanda de maior e menor consumo), tipo de material a ser usado nas tubulag5es (bern como sua idade), as cotas geometricas por onde esta tubulagao necessariamente esta assentada, o dimensionamento eo material de fabricagao da VRP, o fndice de perdas
deste subsetor, o controle e a estabilizat;ao das pressoes na salda da valvula, mantendo se possfvel entre 1 0 e 50 mH20 (pressao dinamica e estatica), de acordo com as Normas Tecnicas Brasileira (NBR 12218- 7/94) e, conseqOentemente no futuro bem proximo a adequat;ao de todas estas diretrizes no desenvolvimento de um sistema de telemetria e automat;ao capaz de melhorar a capacidade operacional do DMAE, gerenciando o efetivo custo de manutent;ao destas redes e, operando seguramente e independente de erros humanos.
FORCADOS
As analises, por ocasiao do projeto e, as avaliagoes operacionais de instalagoes hidraulicas a condutos forgados, visam conhecer o comportamento de cada um de seus elementos nos diversos regimes de escoamento a que estas estarao submetidas. Com a atual disponibilidade dos recursos de informatica, diversos modelos numericos, com soluyao computacional, tem sido propostos como ferramenta para auxiliar estas analises. De forma geral estes modelos podem ser classificados de acordo com o tipo de analise a que este se propoe, ou seja, modelos para analise em regime permanente, modelos para analise em periodo extensive e para a analise em regime variado (transit6rio e oscilat6rio).
Cabe notar que o desenvolvimento da maioria destes modelos se deu de forma distinta, acompanhando as necessidades e possibilidades hist6ricas em termos do conhecimento dos fenomenos envolvidos. Desta forma foram desenvolvidas ferramentas distintas para cada tipo de analise. Esta multiplicidade de ferramentas tem o inconveniente de utilizarem, em sua maioria, modelagoes topol6gicas distintas, o que
dificulta a troca de dados entre urn modele e outro (como condic;:ao inicial ou de contorno). Alem disso, e necessaria conhecer bern cada uma destas tecnicas, para se evitar "desastres" na obtenc;:ao e interpretac;:ao dos seus resultados.
Nesta dissertac;:ao e discutida a implementac;:ao de urn modele unificado para a analise dos diversos tipos de escoamento. A modelac;:ao sera baseada no metodo dinamico inercial elastico, com soluc;:ao numerica atraves do Metodo das Caracteristicas. Embora a proposta nao seja inedita sob o ponto de vista conceitual, pois alguns autores ja acenaram para esta possibilidade, ate entao nao se discutiu a forma de se impiementar esta unificac;:ao. 0 presente trabalho, colhendo as experiencias destes pesquisadores e a de seus autores, estabelece os procedimentos de implantac;:ao de urn modelo unificado para a analise de escoamentos em condutos forc;:ados.
3.1 - Modelos para Analise de Escoamentos Fluidos em Condutos Forgados
Os modelos disponfveis para a analise de escoamentos em instalac;:oes hidraulicas a condutos forc;:ados sao classificados em duas grandes categorias. Os modelos dinamicos, que permitem avaliar as variac;:oes dos parametres hidraulicos, carga e vazao no tempo e, os modelos estaticos que se prestam a analise destes parametres em regime permanente.
Os modelos dinamicos podem por sua vez ser classificados em modelos inerciais e nao-inerciais. Nos modelos inerciais, as variagoes temporais dos parametres hidraulicos sao equacionadas como decorrencia da inercia do movimento fluido atraves dos elementos. Estes modelos sao utilizados nas analises em regime variado, de natureza transit6ria ou oscilat6ria. Os modelos inerciais permitem considerar os efeitos e!asticos do fluido e da tubulagao (modelo dinamico inercial elastico) ou nao (modelo dinamico inercial rigido).
Nos modelos dinamicos nao-inerciais, as variagoes dos parametres hidraulicos, no tempo, sao decorrencia das variagoes das condigoes de contorno (como niveis dos reservat6rios, variagoes de demandas nodais etc.}, nao sendo considerados os efeitos da inercia do fluido em movimento. A figura 01 sintetiza a classificayao dos varios modelos de analise.
MODELOS DJNAMI:COS
I
!NERCIA!S
I
ElAsTiCOModelos para a analise de
Escoamentos fluidos em condutos
fon;ados
NAo-INERCIAlS (periodo ex!ensivo)
Na concep9ao apresentada, os metodos para analise do regime permanente se baseiam na equa9ao de continuidade dos nos e no balan9o de energia nas malhas. Os metodos de solugao, atualmente empregados, para este conjunto de equa9oes sao atualmente: o metoda Linear e o metodo de Newton-Raphson, que as linearizam permitindo a solugao do sistema de equa9oes formado.
0 metodo para analise em perlodo extensive, enquadrado na discussao preliminar como um metodo dinamico nao-inercial, pode ser tratado como uma sucessao de analises em regime permanente, entre as quais se atualizam as condi9oes de contorno, valendo portanto para este caso as mesmas bases dos modelos de regime permanente.
As analises de escoamento em regime variado (transit6rio e oscilat6rio), requerem, pela natureza do fenomeno, urn equacionamento mais complexo, onde devem ser considerados os efeitos de elasticidade do fluido e da tubula9ao. As equa9oes que regem este fenomeno, podem ser escritas como:
(Eq. da continuidade) (1)
ilQ + gA ilH + fQ I Ql
=
o
at
ax
2DA (Eq. do momentum)A soluc;:ao deste sistema de equac;:oes diferenciais, nao pede ser feita de forma analitica, sua solu«;:ao numerica e feita usualmente, com base no Metoda das Caracteristicas (MOC), devido a uma serie de vantagens em temos da convergencia e estabilidade da soluc;:ao.
3.2- A Generaliclade do Equacionamento do Modelo Dinamico lnercial Elastica
Observada a natureza das equac;:oes diferenciais (1) e (2), fica not6rio que este sistema e capaz de reproduzir e descrever alt§m dos escoamentos variados, tambem os escoamentos permanente e em periodo extensive, ou seja:
(a) Regime Permanente - tendo a instala«;:ao hidraulica atingido o estado de equilibria, as suas variaveis de estado, carga e vazao, permanecem invariantes no tempo, logo a equac;:ao (1) representativa da conservac;:ao de massa se reduz a:
(3)
que exprime o fate da vazao se manter constante ao Iongo do comprimento das tubulac;:oes.
Por outro lado, se as variaveis carga e vazao sao constantes no tempo na condi9ao de equilibrio, a equa9ao (2), da quantidade de movimento, se reduz a:
gA ilH + fQIQI =
o -..
liH = fllxQIGI&!< 2DA 2gDA2
(4)
que expressa o processo de perda de energia por unidade de peso (perda de carga), ocorrida num trecho de comprimento Ll.x de tubula9ao.
Portanto a forma que o par de equa96es diferenciais a derivadas parciais assume, quando as variaveis carga e vazao permanecem constante no tempo, permite descrever de forma adequada a condi9ao de escoamento em regime permanente.
(b) Periodo extensivo - o periodo extensive, como ja mencionado, pode ser tratado como uma sucessao de regimes permanentes onde ao final de cada periodo sao obtidos os valores das variaveis de estado, carga e vazao. Para o periodo seguinte, sao atualizados os valores de contorno (como os niveis dos reservat6rios) e feita nova analise em regime permanente. Como se recai em analises de regime permanente, e possivel tambem representar atraves do sistema de equa96es do modelo dinamico inercial elastico as analises em periodo extensivo.
Pode-se concluir das analises feitas que as equa96es representativas do modelo dinamico inercial, podem, se adequadamente empregadas, representar toda a gama de
possibilidades de escoamentos em condutos for9ados. Esta adequa9ao sera feita com base na modela9ao topol6gica e matematica descritas a seguir.
3.3 -A Soiu9ao do Modelo Dinamico lnercial Elastico
0 Metodo das Caracteristicas transforma o sistema de equa96es formado por (1) e (2) em um par de equa96es diferenciais ordinarias, validas ao Iongo das chamadas retas caracteristicas.
A figura 02 apresenta a malha de calculo formada no plano (x,t) que permite o
calculo das variaveis Hp e Qp, carga e vazao num ponto P generico, no instante t + L'.t, a partir dos valores conhecidos nos pontos A e B no instante anterior t, por integrayao sobre as retas caracteristicas.
.. ' '
.
'.
.
);( "JJ,"' ' ):).
'.
'.
.
. .
.
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·,
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' ' '.
• ' ' '><
J)J", y,><
')J' .. ...
· ..
' '.
' ' '.
'.
X :J. .. i.
1 i 1 . .. N N-1Figura 02 - Esquema da malha de calculo
A p ', (+) •• ', (+)/ E';o· (-) (·) ';o' 0 (·:· '·, / '(+) c 8
Usando notagao indexada as segoes da tubulagao pode-se escrever: de onde Sendo onde QE = (H"-H~ + 8(QI-1 + Q1) 28 +
B.
(IQHI + IQII) 2 QD =(HI- Hf+.J + B(QI+ QH-J 28 +B
(IQH-11 +!Od)
2 (5) (6) (7) (8) (9) (10) (11)e, sendo, R
=
fil.x 2gDA2 B =-a-gA (12 a,b) (13a,b)onde os indices E e D referem-se, respectivamente a valores calculados nas
posi96es intermediarias E e D, mostradas no esquema da figura 02.
0 numero N de divisoes do conduto (discretiza9ao da malha) e estabelecido de
forma a atender as condi96es de estabilidade de convergencia da soluyao numerica,
uma vez estabelecido o valor de Ll.t, ou seja:
(14)
Como N, deve ser inteiro, pequenos ajustes (ate 15%) podem ser necessarios na celeridade (a;) para que isso ocorra. Com a malha assim definida, o conjunto de equa96es apresentado [(5) a (13)] permite o calculo evolutivo no tempo das variaveis carga e vazao, nos pontos interiores das tubula96es (se96es 2 aN). nas extremidades
(se~oes 1 e N+1), sao necessarias equagoes adicionais para a solugao do problema, uma vez nestes extremos s6 se dispoe de uma reta caracteristica.
Este procedimento de solu~ao e tradicional na analise dos escoamentos transit6rios e esta bern documentado na literatura, com diversas condi~oes de contomo ja equacionadas. Para o regime permanente, embora se saiba que este
e
obtido ap6s o desenvolvimento do regime transit6rio, a convergencia para este regime e lenta. Para acelerar a solw;;ao do regime permanente foram sugeridos alguns artificios. Fox e Keech, 1975, propoem que as celeridades reais das tubulagoes sejam substituidas por celeridades ficticia ax, definidas como sendo aquelas que permitem que a onda de pressao percorra o comprimento da tubula~ao no intervalo de tempo Llt (ax; = L; /Llt). Aado~ao desta celeridade gera urn fenomeno transit6rio irreal para a instala~ao real, que uma vez estabilizado produz o regime permanente real.
Shimada, 1989, demonstrou que o processo sera ainda mais acelerado com a
ado~ao de uma celeridade ficticia (ax) igual para todos os condutos e independentes dos seus comprimentos. Para estabelecer esta celeridade (mica, usando um intervalo de tempo tambem unico, e necessario modificar os comprimentos de cada tubo para um valor ficticio (L x) para toda a instala~ao. Com isso, um fator de atrito fisico (f) deve ser calculado para cada tubo, de tal forma a preservar o valor correto da perda de carga produzida pelo comprimento real, sendo mantido os diametros reais de todos os tubos.
Com este procedimento !lt passa a ser o unico parametro de otimiza<;:ao da convergencia. Embora o valor de !lt dependa das condigoes de contorno da instala<;:ao, devendo ser analisado caso a caso, a experiencia tern mostrado que a adogao de
lx =100m e 6.t
=
3 stern produzido convergencias com poucas intera<;:5es.Com este procedimento de acelera<;:ao de convergencia a solu<;:ao do regime permanente e representada pelas mesmas equa<;:oes (5) a (13), onde se modificam os valor de N (N=1 ), B e R.
3.4- Modelo Topo16gico
Para facilitar a implanta<;:ao do modelo unificado de cillculo empregou-se uma modela<;:ao topol6gica proposta por Hoelle, 1982, em que os varios elementos da rede hidraulica, chamados de forma generica de ENOS sao interligados em pontos denominados de NOS. Estabelecendo-se urn sentido arbitrario para as vazoes nos ENOS, pode-se fixar os seus NOS de montante (N1) e de jusante (N2). Definindo urn c6digo de tipo T para este ENO, que o identifique como uma valvula, uma bomba, urn reservat6rio, urn tubo etc. e urn c6digo de ordem I, que permita a sua identifica<;:ao na instala<;:ao, fica possivel a codifica<;:ao de cada elemento da instala<;:ao, atraves de urn conjunto destes valores, ou seja, (T,I,N1,N2).
Esta modelac;:ao da topologia permite um tratamento matematico bastante simples das equac;:oes do modelo dinamico inercial elastico. Para facilidade de equacionamento, impoe-se que a cada NO deva estar vinculado apenas um ENO nao tubo.
3.5 - Modelo Matematico
Um NO generico da instala<;:ao pode ser representado como ilustrado na figura 03. uma vez arbitrado o sentido do escoamento nos elementos interligados a este NO, pode-se identificar os MD condutos cujas vazoes foram arbitradas convergindo ao NO e os MD condutos, para os quais as vazoes foram arbitradas divergindo do NO. A vazao
QpE,
e
a vazao pelo elemento nao tubo vinculado ao NO.D
'
Hp1 :Hp2
$ - - - · - - - I+ til
I
____ !
Figura 04 - Esquema de urn ENO nao-tubo generico
A aplicat;:ao da equat;:ao da continuidade a um volume de controle envolvendo o NO esquematizado, fornece como resultado a Equat;:ao do NO, expressa como:
(15)
onde Hp
e
a carga no NO e os valores EN e BN, sao valores calculados pelasexpressoes: uc CE(i) MD CoG) EN
=(2:
Befj)+2:
Bo(j) - D(!)) j•t 1•1 (16) MC 1 MD 1 BN: (L
BE(j)+2:
Bo(j) ) )•1 j•t (17)onde o indice j refere-se ao MC ou MD tubos que convergem ou que divergem
do NO. Deve-se observar que se ao NO nao se vincula um elemento nao-tubo QPE
=
0(18)
Para um ENO nao-tubo generico apresentado na figura 04, com base na
equa~ao (17) aplicada a seus n6s de montante e jusante e posslvel obter:
(19)
onde:
e (20 a,b)
a combina9ao da equa9ao 19, Equa~o Geral do ENO, com uma (ou mais)
equa~ao(s) particular(es), envolvendo as cargas nos NOS de montante e de jusante e da vazao QpE que o percorre, permite obter uma (ou mais) equa9ao que permite a solu9ao do ENO.
Esta equa9ao particular do ENO nao-tubo pode possuir um carater dinamico ou nao. No primeiro caso se enquadram os elementos em que as cargas e vazoes dependem da inercia do fluido em movimento e, portanto nos quais as rela96es entre estas grandezas nao sao conhecidas a priori, mas dependem da evoluyao do escoamento ao Iongo do tempo.
E
o caso das chamines de equillbrio, dos tanques unidirecionais, dos vazos de pressao e de maquinas hidraulicas quando estiveremenvolvidas variac;:oes de rotayao. Nos ENOS nao-dinamicos a relac;:ao entre carga e
vazao nao
e
decorrencia da evoluc;:ao do escoamento ao Iongo do tempo, istoe,
elae
definida a priori, na concepyao da instalac;:ao ou per regras operacionais. Seja qual for o tipo do ENO (dinamico ou nao dinamico) sempre poderao ser escritas equac;:oes adicionais do tipo:
(19)
que em conjunto com a equayao (19) e equac;:oes subsidiarias, necessarias para
avaliar os ai. penmitem a soluyao do ENO, ou seja, a detenminac;:ao de Qpe, HP1 e Hp2.
3.6 - Tratamento dos ENOS nao-tubos no modelo unificado
0 esquema de soluyao dos ENOS nao-tubos, ou seja, a detenminac;:ao da vazao que o percorre e as cargas nos seus n6s de montante e jusante esta bem estabelecido, como descrito no procedimento acima, entretanto, para um modele unificado cabe algumas considerac;:oes:
(a) Regime transit6rio e oscilat6rio- neste caso, o procedimento
e
tradicional e asoluyao dos ENOS nao-tubo ja se encontra bem descrita na literatura (Almeida e Koelle, 1992).
(b) Regime permanente e Periodo extensivo - nestes casos, a presenc;:a de ENOS dinamicos e fator de retardo para a convergencia e, portanto, dispositivos como chamines de equilibrio, tanques hidro-pneumaticos e unidirecionais devem ser retirados das simulac;:oes em regime permanente. Cabe notar que ap6s a determinayao deste regime, sera conhecida a carga no n6 em que este ENO ira se conectar e esta poden'i entao ser transformada na altura d"agua (na chamine) ou na pressao (no interior de um tanque hidro-pneumatico).
No caso das maquinas hidraulicas, a caracteristica dinamica desaparece pois em regime permanente a rotac;:ao permanece constante e a rotina do ENO recai um caso de ENO nao-dinamico.
Para o periodo extensivo cabem as mesmas observac;:oes feitas para o regime permanente, quanto aos ENOS nao-tubos, a excec;:ao dos ENOS reservat6rios que deverao ter seus niveis atualizados entre um periodo e outro. A atualizac;:ao destes niveis segue a expressao:
(21)
onde HRE e HR se referem aos niveis futuros e atual dos reservat6rios, A a area da seyao transversal do reservat6rio e T o intervalo de tempo entre dois periodos
sucessivos. ORE e QR sao as vazoes que entram (ou que saem) dos reservat6rios no
periodo atual e no perfodo futuro, onde (Luvizotto Jr., 1995):
(22)
sendo os Indices 1 e 2 referentes aos n6s de montante e de jusante do reservat6rio respectivamente.
Segundo VENTURINI (2003), os modelos matematicos hidraulicos sao de grande valia no diagn6stico dos problemas dos sistemas de abastecimento de agua, por facilitar a analise da situac;:ao atual, permitindo prever futuros gargalos do sistema, possibilitando encontrar varias alternativas de soluc;:oes e garantir a confiabilidade das
ac;:oes propostas. 0 levantamento das varias alternativas e a verificac;:ao do
comportamento da implantac;:ao de uma ou mais alternativas conjuntamente no restante
do sistema
e
facilmente visualizado nos modelos matematicos.4.1 - Com bate
a
Redu(;aO de PerdasNa visao de ALLAN (1998) a modelagem auxilia na polftica de gerenciamento de controle de perdas, realc;:ando anomalias nos registros de dados, identificando previamente fontes de consumo desconhecidas e alguns grandes vazamentos.
Preocupado com as perdas ocorridas no sistema, GERMANOPOULOS (1995), utilizou o metoda da teoria linear, linearizando as equac;;oes nao-lineares da rede, obtendo as aberturas das vaJvulas redutoras de pressao (VRP), com o intuito de minimizar as press6es na rede e reduzir as perdas por vazamentos, face
a
ocorrencia dos altos valores observados pelas empresas de saneamento na Gra-Bretanha, ou seja, 50% do abastecimento total.A reduc;;ao dos vazamentos, mediante o controle de pressao, e um metodo bastante simples e direto, que pode ser aplicado com outros metodos que incluem a detecc;;ao e o reparo nas redes de distribuic;;ao, conforme GERMANOPOULOS e
JOWITT (1989)
e JOWITT e XU
(1990).REIS (1997) aplicou a tecnica de algoritmo genetico para reduzir as perdas fisicas, atraves da localizac;;ao das valvulas controladoras de pressao. A grande vantagem na utilizac;:ao do algoritmo genetico e o sucesso apresentado na busca de
regras operacionais com a interface de um simulador hidraulico.
VAIRAVAMOORTHY e LUMBERS (1998), preocupados em minimizar as perdas ocorridas no sistema de distribuic;:ao de agua, desenvolveram um modele de otimizac;:ao usando a tecnica de programac;:ao nao-linear, sendo empregado o metoda de reduc;:ao quadratica para reduzir o esforc;:o computacional. Os autores indicam a colocac;:ao de valvulas redutoras de pressao no sistema de distribuic;:ao, possibilitando uma reduc;:ao
das perdas ffsicas, e alertam que sua inclusao nao pode ser de maneira indiscriminada, pois a tecnica de otimizacao permite estabelecer o melhor cenario.
Segundo THEESS (1996), os trabalhos de reducao das perdas ffsicas de agua numa rede de distribuicao devem ter por objetivo alcangar um permanente fndice minimo de perdas (maximo iO%), uma vez que novos vazamentos sempre surgem enquanto os antigos sao eliminados, sendo impossivel a eliminacao total dos mesmos.
Como urn vazamento gera uma perda fisica continua ate que seja reparado, o volume de agua perdido por ele e proporcional nao apenas ao seu tempo de vida, mas tambem
a
pressao da rede no local.Um eficiente sistema de controle e reducao de perdas fisicas de agua num sistema publico de distribuicao deve procurar, inicialmente, controlar e estabilizar as press6es na rede.
0 controle e a estabilizacao das press6es na rede, pela estatistica dos trabalhos realizados nos ultimos 25 anos no norte da Europa, acarretam uma reducao de cerca de 8% das perdas de agua nos vazamentos. Ap6s a estabilizacao das press6es na rede, e que devem ser providenciados os trabalhos de pesquisa de vazamentos e seus respectivos reparos, devendo, ao final, ser instalado um sistema permanente de controle, envolvendo a implantacao de equipamentos de telemetria e automacao.
A realiza<;:ao do servigo de redugao
e
controle de perdas ffsicas de agua devera seguir as seguintes etapas:(a) Setorizacao da rede;
(b) Determinagao das perdas ffsicas;
(c) Controle
e
estabilizagao das pressoes;(d) Pesquisa de vazamentos; (e) Reparo dos vazamentos;
(f) lnstalagao
e
operagao de equipamentos de telemetria e automagao.4.1. i - Setoriza~ao da rede de distribui~ao
Esta etapa de trabalho
e
preliminar, pois sem a setorizagao da rede, o controlede perdas
e
quase impossfvel, ficando sobretudo dificultado.0 objetivo da setorizagao
e
dividir a rede em setores ou sub-redes menores, queserao analisados separadamente dos demais, como se fossem independentes.
Na Europa, esses setores tem geralmente de 5 a 1 Okm, podendo ser cerca de 10
vezes maiores no Brasil, onde os sistemas de abastecimento possuem, via de regra, apenas uma linha de suprimento (adugao) e cada consumidor possui sua propria caixa
de agua, ao contrario do norte da Europa, onde as redes recebem seu suprimento atraves de duas a quatro diferentes linhas de aduc;:ao. Essa peculiaridade brasileira traz facilidades e economia para os controles de perdas de agua.
Definida a setorizac;:ao da rede, a etapa seguinte compreende na verifica<;:ao das perdas ffsicas existentes em cada setor, para que possa ser estabelecido um plano prioritario de trabalho para eliminac;:ao das mesmas.
4. i .2 - Determina«;ao das perdas fisicas de agua
No Brasil, as perdas ffsicas de agua sao geralmente determinadas pelas diferen<;:as de leitura entre micro e macro medidores de vazao, instalados em pontos escolhidos da rede.
As leituras dos medidores sao quase sempre feitas mensalmente, nao podendo fornecer informac;:oes relativas ao mesmo perfodo em virtude do grande numero de aparelhos instalados.
0 objetivo de qualquer controle de perdas
e
diminuir os "tempos de vida" dos vazamentos, sendo, para tanto, necessaria que sua extensao seja determinada diariamente.lsso pode ser feito facilmente atraves da instalagao de urn macromedidor na linha adutora do setor, juntamente com urn "Data Logger'' munido de software capaz de determinar as vazoes noturnas, as vazoes mfnimas (equivalentes das perdas) e a dinamica das vazoes.
Figura 05 - Tubula9ao da VRP - 300mm com macromedidor e "DATA LOGGER' (DMAE-PoyOS de Caldas)
Esses conjuntos podem fornecer os valores das vazoes diarias ou semanalmente, de forma direta (manualmente) ou automatica, transmitindo os dados colhidos via linha privativa (LP) ou "radio-modem" (Telemetria) para urn computador central, onde e instalado urn software analitico que determinara os locais e a intensidade das perdas flsicas de agua.
4.1.3 - Controle e estabiliza~ao das pressoes na rede
0 controle e a estabilizacao das pressoes numa rede de distribuigao sao de grande importancia para a redugao e o controle das perdas ffsicas de agua.
No Brasil, geralmente esse aspecto
e
quase inteiramente negligenciado, apesarde representar urn investimento de retorno garantido para as redes de distribuigao.
Esse controle
e
feito em setores fechados, onde a pressao de distribuigao variacom o consumo.
E
conhecido o fato de que, quanto maior for a variagao da pressao ou maior for apressao noturna, maiores serao os danos sofridos pela tubulagao e maiores serao os vazamentos. Para isso, poderemos utilizar uma VRP na linha adutora do setor, fazendo, entretanto, a pressao variar, por urn "comando eletr6nico", de conformidade com o consumo da area servida, diferentemente da forma convencional utilizada no Brasil, que adota apenas a instalagao da VRP para estabilizar a pressao no ponto de entrada.
Figura 06 - Vazamento da adutora no setor VRP-Cidade provocado por excesso de pressao (DMAE-Poc;os de Caldas)
A esse procedimento denominamos "controle inteligente de pressoes" na rede que reduz significativamente os esforc;os atuantes sobre a tubulac;ao, e consequentemente o "trabalho" que deve ser realizado pelo seu material constitutivo, reduzindo os custos de manutenc;ao.
Deve-se tambem salientar que as pesquisas convencionais de vazamentos feitas sem urn "controle inteligente de pressoes" resultam geralmente em urn incremento das pressoes estatica e dinamica, propiciando o aparecimento de novos vazamentos (geralmente maiores que antes). Por isso, o "controle inteligente das pressoes" e fundamental e deve ser feito em todos os trabalhos de pesquisa de vazamentos.
4.1.4 - Pesquisa de vazamentos
Existem varias maneiras de pesquisar vazamentos:
(a) mediante uma pesquisa sistematicamente programada da rede, no todo ou setorialmente, em perfodos regulares, a cada dois anos;
(b) a custos reduzidos, restringindo-se a pesquisa as areas de maior incid€mcia de danos, por setores especificos, conjuntamente com a instala9ao de urn "controle inteligente de press6es";
(c) por uma pesquisa nao-sistematica, ou seja, quando
e
verificado que 0 tamanho do danoe
muito grande e/ou existem verbas disponlveis;(d) por uma pesquisa sistematica, com monitoramento adicional dos resultados, tanto durante quanto depois da pesquisa, acompanhada de urn "controle inteligente de press6es";
(e) pela busca sistematica de "rufdos" nos dados recolhidos pelos micromedidores;
(f) pela determina9ao da "dinamica da rede".
E
importante salientar que todas as pesquisas de vazamentos se constituem de investimentos de curta eficacia se nao forem acompanhadas por urn "controleinteligente de pressoes", ou se nao forem executadas com urn monitoramento adicional dos resultados, de forma sistematica.
Naturalmente, a lista apresentada nao e completa. Existem outras formas semelhantes ou equivalentes de pesquisar vazamentos. As alternativas mencionadas servem apenas para ilustrar a diversidade de meios existentes, valendo salientar que, no Brasil, e usual adotar-se o procedimento paliativo, face
a
carencia de recursos e o desconhecimento das vantagens e da capacidade de retorno do investimento realizado para ado~ao da uma forma mais completa e definitiva de pesquisa e controle dos vazamentos.Entretanto, nao e sempre viavel a monitora~ao de um setor, pelo simples fato de nao ser sempre possfvel a sua delimita~ao ffsica precisa. Neste caso, outros metodos devern ser utilizados, tais como a busca sistematica de rufdos nos micromedidores e/ou pela determina~ao da dinamica da rede, ou preceder-se o trabalho da execu~ao de obras especfficas de modifica~ao da rede para que os setores possam ser definidos.
Sempre que as leituras dos micromedidores sao relacionadas, a pessoa encarregada do servi~o deve providenciar uma leitura adicional com uma haste eletr6nica especial, com resultados independentes do controle de sensitividade. Tais leituras adicionais de rufdos devem ser avaliadas geografica e historicamente. A
avalia~ao geografica corresponde
a
detec~ao tradicional de um vazamento, porem, a custos inferiores. A varia~ao hist6rica, entretanto,e
muito mais importante, depois de UNICAMP BIBUOTECA CENTRI\ttres a quatro meses da leitura. Quaisquer novos vazamentos na rede de distribuicao, inclusive no interior das edificacoes dos consumidores, causarao mudancas nos resultados das medicoes, possibilitando ao grupo de deteccao de vazamentos da empresa, sua facil localizacao. A vantagem desta metodologia
e
a deteccao mais rapida dos vazamentos, o que possibilitara o seu reparo mais imediato, com a consequente limitacao das perdas de agua.4.1.5 - Reparos de vazamentos
E
da maior importancia o reparo dos vazamentos, tao logo eles sejam localizados. Para tanto, a entidade responsavel pelo abastecimento de agua deve possuir pessoal habilitado e estoque de material necessaria para a realizacao do servico imediatamente, ou manter contrato com empresa especializada que garanta sua execucao.Figura 07 - Vazamento originado par excesso de pressao - Setor VRP-Cidade (DMAE-Poc;os de Caldas)
4.1.6 - lnstalac;ao e operac;ao dos equipamentos de telemetria
Dentre suas vantagens opera seguramente, independente de erros humanos, gerenciando efetivamente os custos de manutenc;ao da rede de distribuic;ao, melhorando a capacidade operacional.
Nesse contexte, e importante dizer que e melhor proceder
a
implantac;ao de urn sistema de telemetria/automac;ao atraves de etapas pequenas, porem completas, do que se buscar implantar sistemas incompletos, embora maiores e mais abrangentes em termos geograficos.E
tambem de suma importancia que sejam instalados bons softwares de analise estatfstica, especfficos para empresas de agua, ainda que o investimento relativamente alto venha a ser, inicialmente, sub-utilizado.Figura 09- Tela de telemetria utilizada pelo DMAE para controle da distribuiyao de agua no municipio de Po9os de Caldas- Sistema ELIPSE-SCADA
0 sistema simples pode constituir apenas de um "Data Logger'' de 8 saidas e entradas, com "modem" para automatizar uma estagao de bombeamento ou monitorar o medidor de vazao instalado no campo destinado a medir vazoes mfnimas, maximas e totais, para a obtengao de dados da dinamica das vazoes e perdas devidas de um
•
determinado setor.
Tanto a telemetria (ou tele-medigao de dados) quanto a automagao das operagoes das redes de distribuigao de agua, exigem obviamente, por parte das entidades responsaveis pelo abastecimento de agua, a instalagao de equipamentos especiais, sendo utilizados no Brasil, para informatizagao de alguns desses equipamentos, placas PLC ("ladder control') que foram desenvolvidos ha decadas para
automa9ao de equipamentos industriais (fabricas robotizadas) e tambem placas PC 486 modificadas.
Figura 10- Tela do programa de telemetria utilizado pelo DMAE- ELIPSE SCADA- para o subsetor estudado - VRP-Cidade
As perdas de agua no sistema de abastecimento sao um tema que vern atraindo a aten<;ao em todo o mundo, dados seus reflexes economicos e ambientais. Contudo, as tentativas realizadas para produzir indicadores que permitam comparar realisticamente as perdas entre as entidades gestoras e pafses distintos nao tern sido ate agora bern sucedidas. A diversidade de defini<;oes e metodos de calculo e grande, fato que e unanimemente apontado como principal causa deste insucesso.
Dessa forma, o Comite de Opera<;ao e Manutengao da Associagao lnternacional do Servigo de Agua (IWSA) decidiu elaborar uma terminologia para comparagoes internacionais e recomendar indicadores de desempenho para perdas de agua.
Uma das principais dificuldades no equacionamento e posterior combate ao problema e a falta de urn consenso quanta as definigoes, indicadores e metodos de avaliagao. Neste contexte, a IWSA decidiu estabelecer uma terminologia com definigoes normatizadas, descrevendo a tipologia, as origens e os fatores que influenciam as perdas de agua, tragando uma breve panoramica das tecnicas disponfveis para seu
monitoramento e controle, procurando construir uma base consensual para a discussao e comparacao alargada de nlveis de perdas, sua medi<;:ao e controle.
A quantidade de agua perdida
e
um indicador importante da eficiencia de uma entidade gestora, tanto em termos absolutes num dado momenta, como em termos de tendencia ao Iongo dos anos. Volumes anuais altos e com tendencia para aumentar sao um indicador de ineficacia de planejamento e constru<;:ao, bern como de deficiente opera<;:ao e manuten<;:ao do sistema. Por essa razao, e necessario definir, neste dominio, indicadores de desempenho ajustados as aplicacoes tecnicas, bern como financeiras.5.1 - Terminologia Modernizada para Utilizagao lnternacional
Dada a proliferacao e ambigiiidade da terminologia utilizada por entidades diversas, internacionalmente ou dentro do mesmo pais, qualquer discussao relativa as perdas de agua, devera ser precedida de uma definicao clara dos componentes do balanco hfdrico a considerar, bern como dos dados em que se baseia a sua determinacao. HIRNER (1999), diretor da IWSA, propoe que, em Portugal, sejam adotados os termos apresentados no esquema das fig. 11 e 12:
Pen!Utotai$ ~<!OWl~ noaOII!tl~e ~lot:ll d~$c
Figura 11 - Componentes do balan(:o hldrico
(a) agua captada- para consumo publico: retirada do meio natural, destinada a alimentar as estag6es de tratamento;
(b) agua produzida - agua tratada que entra no sistema de adugao e armazenamento ou diretamente no sistema de distribuigao;
(c) agua importada/exportada- designa os caudais transferidos de/para outros sistemas de adugao e distribuigao;
(d) volume aduzido no sistema - soma entre a agua produzida e a agua importada;
(e) consumo autorizado- volume de agua medido ou nao medido fornecido a consumidores registrados ou a outros consumidores domesticos, comerciais, industriais ou publicos, implfcitos ou explicitamente autorizados, e ainda o volume de agua utilizado pela propria entidade gestora. Note-se que o consume autorizado inclui os volumes utilizados para combates a incemdios, lavagern de condutos e coletores de
esgotos, lavagem de ruas, rega de espa9os verdes e alimenta9ao de fontes e fontanarios publicos;
Agua me~10a e raruraCla
I
Consume Onc!uindo a Sgua e!!por!:ada) Aoua
at.<torizado tatl.n'ada
Con sumo raruraco Agua nao medida e laiurada ]m3tano]
autortzado
""''
Agua med11:ta e nao taturacta II
!rn31ano] C011sumo
auklrizado
nao faturado
Agua n§o medlda e nao fa'tur·acta
.
I
Pert!as Enos de sistema metii~fio 00 leitura I em;s do AQua nao faturada
apanmtes {pen:!as
[m3JanoJ
I
U;ms !lfcitcs ~omerda!s)I
Pertlas de
iilgua [m3lanoj
""'"
Fugas na adu~i§o e ctlst:itlulf~O[m3/ano] Perdas
teals Fugas a a:dra~azamentos
]rrfJano} nos reserva!Orlos
Fuoas nos mmals I
(a montante do med!Oor de caudal} I
Figura 12 - Consumo autorizado e perdas de agua
(f) perdas de agua de urn sistema - diferen9a entre o volume aduzido no sistema e o consumo autorizado. As perdas de agua podem tambem ser calculadas em rela9ao a subsistemas, como sejam, o sistema de adu9ao, o sistema de agua nao tratada ou o sistema de distribui9ao. Dividem-se em reais e aparentes.
(g) perdas de agua reais - perdas fisicas de agua de urn sistema pressurizado, entre os pontos de produ9ao e/ou importa9ao e os pontos de entrega ao consumidor (em sistemas com abastecimento intermitente, s6 sao considerados para efeitos de balan90 hidrico os periodos em que o sistema esta pressurizado). lncluem os volumes de agua perdidos por fugas, rupturas e extravasamentos.
(h) perdas de agua aparentes - consumos nao autorizados (ou ilfcitos) e os volumes associados a todo tipo de imprecisoes na medigao da agua produzida, da agua importada e do consumo autorizado.
Todas estas quantidades sao volumes e, como tais, expresses em unidades volumetricas (m3 ou 106m3), quando sao utilizados para efeito de balango hfdrico, em
geral com ano base temporal comum.
Todos os calculos de balango hfdrico anual sao aproximados, dada a dificuldade de avaliar todos os componentes com exatidao desejavel e sabre a mesma base temporal. A confiabilidade do calculo tende a ser maior quando os volumes de entrada sao adquiridos de outras entidades e quando toda a agua distribufda e medida por medidores domesticos bern dimensionados e adequadamente mantidos e calibrados.
5.2 - A lmportancia da Mecli~ao Confiavel
A medigao confiavel dos principais volumes de agua geridos devera constituir uma parte integrante das fungoes de abastecer e distribuir agua, sobretudo no que confere a melhor gestao de oferta e procura e
